2.1励磁变压器

（1）励磁变压器由三相户内环氧树脂浇注的变压器组成，参数如下：

型式干式环氧三相变压器组

额定容量1600KVA

额定电压原边：13.8kV副边：580V

联结组别Y/－11

短路阻抗6

绝缘等级原边F级,副边H级

绕组最高温升80K

（2）励磁变压器能满足强励运行要求，并留有适当裕度，承受二倍额定励磁电流下的过载时间大于50S。冷却方式为自然空气冷却；三相电压不对称度小于5。另外，在变压器线圈中埋置有Pt100电阻用于温度检测，并带有温控温显装置，引出两对触点分别用于报警和跳闸。

（3）励磁变高、低压侧各相均装一个电流互感器，高压侧电流互感器用于励磁变保护，低压侧电流互感器用于励磁调节器测量回路。

2.2励磁调节器

励磁系统采用了两套相互独立的励磁调节器的全冗余结构，每套励磁调节器采用双通道结构，即自动电压调节通道和手动电流调节通道。自动电压通道主要由一个控制面板（COB）和一个测量单元板（MUB）构成，形成一个独立的处理系统。每个通道均含有发电机端电压调节、磁场电流调节、励磁监测/保护功能和可编程逻辑控制的软件。在每个通道中，利用一个扩展门极控制器（EGC）的分离单元作为备用通道，也就是手动电流调节通道。

（1）调节器硬件

调节器采用四通道冗余技术，其硬件包括：

①两个相互独立的调节器机箱，每个机箱内装有：

一块控制板（COB），是调节器核心，用于实现调节、限制、保护和通讯等功能。

一块测量板（MUB），内有数字信号处理器（DSP），用于实现交流采样和PSS功能。该板通过双端口的存储器与COB交换数据。

一个独立的手动控制单元（EGC），用于实现磁场电流调节、通道跟踪、以及一些限制和保护等功能。

②两块功率信号接口单元（PSI），分别对应于两个调节器机箱，用于获取同步信号及对磁场测

量信号进行预处理。

③两块快速输入输出板（FIO），其中一块用于内部信号接口，另外一块用于外部接口。

④一块现地控制面板（LCP），安装在调节柜柜门上，用于励磁系统进行现地操作和监视。

⑤一个手持编程器（SPA），用于设定参数和现地操作。

⑥两个通讯适配器，分别对应于两块COB板，可提供四种选择。

（2）调节器功能

①调节控制模式：PID PSS

②调节器运行方式：

恒发电机机端电压的自动调节功能

恒发电机转子电流的手动调节功能

恒无功调节

恒功率因数调节

③限制功能：

V/f限制

过励限制

欠励限制

定子电流限制

最大磁场电流限制

最小磁场电流限制

④监测与保护功能：

PT断线

电源故障

调节器软件、硬件故障

V/f保护

整流桥故障报警

整流桥内部短路跳闸

整流桥过载跳闸

转子过热报警及跳闸

转子接地跳闸

转子过电压跳闸

过流保护及失磁保护

励磁变超温报警及跳闸

⑤其它功能：

软起励及残压起励

有功和无功补偿

系统电压跟踪

通道之间自动跟踪

2.3可控硅整流单元

采用两个三相全控整流桥并联输出，整流桥单桥输出能力为2000A，每个桥独立安装在一个功率柜中。当其中一个功率柜退出运行时，可保证发电机在所有运行方式下均能连续运行，包括强励在内。

（1）单个三相全控整流桥的主要部件

①6个盘形可控硅6个脉冲变压器

②6个带接点指示的快速熔断器

③1套交流过电压吸收回路

④带冗余的(2 2)的风扇组，由交流马达驱动并带风量继电器监控

⑤监测温度的空气出口温度探测器

⑥一块整流器接口单元（CIN）

⑦一块门极驱动接口单元（GDI）

⑧一块整流器显示单元（CDP）

⑨两个电流传感器（CUS）

（2）交流侧过电压保护及换相过压保护

采用ABB独有的集中式阻容电路，既可吸收整流桥的交流侧过电压，也可吸收由晶闸管整流而引起的电压尖峰。交流过电压保护主要由一个三相二极管整流桥和一个连接在直流侧的电容组成。对于高频过电压而言，电容代表一个低阻抗并且起滤波器的作用。与电容并联的有一个放电电阻器，在电容放电时吸收能量。这种用途的电容应能支持较高的di/dt。二极管整流桥的交流侧由带接点指示的熔断器保护。这个电路的优点是损耗小，接线简单。

（3）冷却系统

①各个功率柜有独立的风道结构和冷却系统，采用正压通风方式强迫风冷。每个功率柜采用双组风机冗余冷却，两组风机互为备用、自动切换。风机选用瑞士Cesovent产品，风量为6400m3/小时，其噪音水平距柜门1米处不超过60db，使用寿命高达46000小时。

②风机供电电源一回取自厂用电，另一回取自自用变，这两回电源互为备用且自动切换。风机控制元件安装在功率柜中。

③采用特制的实芯铝散热器。

（4）整流器接口单元（CIN）

整流器接口单元（CIN）是一个独立的控制和调节装置，并且与门极驱动接口（GDI）、电流传感器（CUS）和整流器显示单元（CDP）配合使用，它是整流柜的一个组成部分。它的主要功能是向门极驱动接口单元（GDI）发送一系列触发脉冲，用于三相全控整流桥的工作。此外，该装置还包括以下功能：

①在控制板（COB）和门驱动接口（GID）之间为触发脉冲和控制信号提供电气隔离。

②提供与ARCnet网络接口与控制板（COB）连接。

③监控可控硅整流器部件的状态，如熔断器、温度等。这些信号被逐次地通过ARCnet网发送到控制板（COB）。

④传送来自控制板（COB）的命令，如脉冲截止/导通，风机接通等。

⑤调节并联运行的晶闸管整流桥间的电流分配，并使其最优化，即所谓的智能化均流。

⑥测量整流桥的输出电流，并监测桥臂电流。这些信号还用于本地整流器显示（CDP）。

（5）门极驱动接口单元（GDI）

门极驱动接口单元（GDI）用于放大脉冲，使之与晶闸管触发的必需的水平相匹配。脉冲变压器是该装置的一部分，采用真空灌环氧浇注工艺制成的脉冲变压器，绝缘电压高达15000V。

2.4起励单元和灭磁单元

（1）起励单元

正常情况下能够利用发电机残压起励。在起励过程中，在可控硅整流器的输入端仅需要约10V～20V的电压即可正常工作。如果电压低于10V～20V，可控硅整流器就会被连续地触发（二极管工作模式）以达到该值。如果在5—20秒内残压起励失败，则起动备用起励回路，备用起励回路加入直流220V电压起励。在机端电压达到发电机的10时，备用起励回路自动退出，立即开始软起励过程并建压到预定的电压水平。整个起励过程和顺序控制是通过AVR软件实现的。

起励单元以残压起励为主，直流起励为辅。

（2）灭磁单元

①灭磁单元组成部分：

一台灭磁开关

一套灭磁开关操作回路

灭磁及保护用SiC电阻

可控硅跨接器

②SiC性能参数如表1所示：

表1

在设计SiC的参数时，综合考虑了以下因素：

阀片的电流电压特性曲线；

并联支路间可能的电流/能量不均匀分布；

能够吸收由于发电机出口三相短路在转子绕组中产生的能量；

灭磁时间的要求值；

灭磁时的最大电流及此时的最大电压；

灭磁或过电压发生的频率。

③灭磁开关特点

灭磁开关采用ABBSACE系列E2N/E2000/1000V型直流断路器，该开关有如下特点：

具有自动防跳功能

有一个合闸线圈和两个分闸线圈

具有电动储能和手动储能机构

3励磁系统的自动控制

励磁电源取自发电机机端（断路器内侧），同步发电机的磁场电流经由励磁变压器、可控硅整流器、磁场断路器提供。励磁变压器将发电机端电压降低到可控硅整流器所要求的输入电压（580V），经可控硅整流器将交流电流转换成受控的直流电流输出给转子建立磁场，从而实现控制机组的端电压及无功输出。

励磁系统的通信接口与计算机监控系统可进行数据交换，计算机监控系统与励磁系统优先采用硬布线连接，网络通信方式上送该系统的状态作为辅助方式。

在计算机监控系统与励磁系统通信正常的情况下，励磁系统优先采用通信方式上送该系统的状态、报警信号，并接受监控系统下发的调节、控制命令；在通信异常的情况下，则自动转换（无扰动转换）成接受来自计算机监控系统的硬接点调节、控制命令。

3.1励磁信号采集

励磁信号采集分模拟量信号采集和开关量信号采集两部分。

微机励磁调节器一般采用几种模拟量，它们是机端电压、定子电流和转子电流等。机端电压是重要的模拟量，通常取两路，一路取自机端电压互感器，一路取自励磁电压互感器。定子电流信号取自定子电流互感器，与机端电压互感器信号一起计算有功、无功和功率因数。转子电流信号可取励磁变压器低压侧的电流互感器，如图2：

图2励磁系统信号采集图

微机励磁调节器一般采用下列开关量的采集，它们是升、降压令；增、减励磁操作；断路器的位置，快速熔断器熔断，手、自动方式，恒功率方式，恒功率因数方式。

3.2励磁开关接通/断开

（1）励磁接通命令发出后发电机初始励磁。由于励磁系统向发电机转子馈电，因此发电机电压能迅速建立到额定值。如果跳闸命令在作用，励磁接通命令无效。当励磁接通命令发出时，如果励磁开关仍在断开位置，它将自动闭合。

（2）励磁断开发出后切断发电机励磁。此时，励磁系统整流器转换为交流逆变运行（磁场能量转换），或将放电电阻切换到与转子绕组并联，发电机通过整流器逆变或放电电阻迅速放电。60S以后，加到整流器上的触发脉冲被闭锁，以至完全闭锁和切断。

3.3调节器双通道切换

励磁系统采用了两套相互独立的励磁调节器的全冗余结构（CH1/CH2），如图3所示；每套励磁调节器采用三通道结构，即自动电压调节通道、手动电流调节通道和紧急备用通道。另外，每个调节器控制通道(CH1及CH2)是完全相同，因此可以自由地选择CH1或CH2作为主用通道。备用的通道(备用通道)总是自动的与主用通道相匹配。

图3双自动通道系统

基本上，除了下述情况以外，通道的切换可以在任何时间进行：

（1）如果主用通道检测到故障，将自动切换到备用通道。在故障发生同时发电机电压也发生动态扰动，故障通道立即自动切换到备用通道，备用通道跟随发电机电压有一段延时，备用通道不会跟随发电机电压的动态扰动。故障通道未修复前不可能再切回到主用通道。

（2）如果备用通道故障，主用通道不能切换到备用通道。

（3）从主用通道向备用通道的手动切换时，相应的迟缓特性也应当考虑。直接跟随发电机的电压变化，则切换具有一个短的延时。这种方法在每一种场合都能达到无扰动切换。

3.4调节器自动与手动通道的切换

每个主用通道或备用通道都具有自动电压调节器(自动方式AVR)和手动电流调节器(手动方式FCR)两种主用方式（如图4）。在自动方式下，发电机电压受到调节。因此，在发电机机端产生恒定的电压。而在手动方式中，发电机励磁(磁场电流)保持恒定，随着发电机负荷的变干机励磁(磁场电流给定点)必须手动调整，以使发电机电压不变。

图4具有电压调节器和电流调节器的双通道系统

另外，自动方式与手动方式也有以下关系：

（1）如果在自动方式下检测到故障时紧急切换到手动方式，故障未消除不能切换回自动方式。

（2）如果手动方式有故障，从自动到手动方式的切换将会被阻止。

（3）发电机能够在自动方式极限但又允许的运行范围内运行，但这个范围已经超出手动方式允许的运行范围。在此情况下，手动调节器可以不再跟随自动调节器。反馈指示允许手动调节器跟随检查校验。

（4）发生故障时将从自动切换到手动方式，若再切回到原来的运行情况，故障还可会发生。因此，手动调节器的跟随控制，具有延迟和相应地减缓励磁电流改变的作用。

（5）从自动向手动方式的切换，手动调节器相对延缓跟随的特性必须予以考虑，在这里直接跟随励磁电流的变化，切换被延迟一个很短的时间(等待信息是：AuT0／MANuALREADY)。这样，在各种情况下都能保证无扰动切换。

3.5切换到应急的通道

除了上述两种主通道以外，励磁系统具有独立的手动应急通道FCR（图5）：

图5具有应急通道的主通道

应急通道的特点如下：

（1）与主通道的手动方式相类似的应急通道，装有一个励磁电流调节器。除了励磁电流调节器之外，应急通道还装有过电压保护和独立于主通道的触发脉冲控制器。

（2）插入到主通道的过电压保护插件起后备保护作用。应急通道的励磁电流调节器的作用与主通道的励磁电流调节器是相同的。也就是应急通道仅仅是调节励磁电流，而不是调节发电机电压。

（3）应急通道的励磁电流调节器自动地跟随主通道，因此，在主通道发生故障的情况下，自动地进行无扰动切换。

（4）从主通道向应急通道的手动切换只是由被认可的特殊操作人员使用手持屏或PC工具来进行。两个调节器的跟随调整使其能够切回到主通道。

3.6灭磁过程

灭磁系统由以下部件：灭磁开关、灭磁开关操作回路、灭磁及保护用SiC电阻、可控硅跨接器及触发单元等。

（1）正常停机时为逆变灭磁方式，灭磁开关不跳开，转子的能量由定子作为负荷消耗，如果灭磁不成功，再跳开灭磁开关，同时触发晶闸管跨接器接通灭磁电阻；事故停机时，发电机保护或者来自内部的励磁保护发出命令跳灭磁开关，同时触发晶闸管跨接器接通灭磁电阻灭磁。

（2）灭磁电阻采用SiC电阻,既用于事故灭磁，也用于转子侧过压保护。SiC灭磁有很多优点：特性稳定，免维护；失效模式为开路，比较安全；无须苛刻的串并联条件；灭磁耗能有保证。SiC电阻容量的配置可确保快速吸收从强励顶值电流直到10额定电流范围内磁场能量。最严重灭磁工况下，SiC电阻承受的耗能容量为其工作能容的80。由于SiC电阻的伏安特性曲线较软，所以正反向均采用可控硅跨接器以防止其在机组正常运行时通流，正向跨接器动作值低于转子绕组对地试验电压幅值的70，反向跨接器动作值低于转子绕组对地试验电压幅值的50。

3.7过电压保护

（1）交流侧过电压保护

交流侧过电压保护位于整流桥交流侧，它可吸收由晶闸管整流引起的电压尖峰。AC过电压保护主要由一个三相二极管整流桥和一个连接在DC侧的电容组成。对于高频过电压而言，电容代表一个低阻抗起滤波作用，与电容并联的有一个放电电阻器，在电容放电时吸收能量，此电容能支持较高的di/dt，二极管整流桥的AC侧由带接点指示的熔断器保护。交流侧过电压保护回路如图6

图6交流侧过电压保护回路

（2）直流侧过电压保护

直流侧过电压保护发电机出现故障，如短路、错误的同步或异步运行，会引起反向的感应磁场电流，该电流在转子回路中会产生过电压。为了限制过电压低于安全值，且低于整流器可控硅的峰值反向电压，装设了跨接器回路，该回路采用雪崩二极管用于探测转子回路中正向和反向过电压。当雪崩二极管备击穿，相连的可控硅备触发，立即将灭磁电阻接通到转子回路，同时发出跳闸命令断开灭磁开关。直流侧过电压保护回路如图7

图7直流侧过电压保护回路

4综述

右江水电厂4台机组的励磁系统目前正在处于安装调试阶段，在调试过程中初显其功能的强大性，操作的易用性。励磁系统自动控制程序的准确性还要在接下来的调试过程不断检验和完善，确保电厂的安全、经济、稳定运行，为电厂“无人值班，少人值守”的实现提供可靠的保障。

来源：中国农村水电及电气化信息网